本发明实施例涉及微结构加工技术领域，特别是涉及一种内壁微结构电解加工装置及设备。
背景技术：
随着科技的发展，表面功能结构的应用越来越广泛，主要应用于机械、化工、电力、航空和国防工业等领域。摩擦副表面的织构可以有效地改善表面摩擦学性能，例如在汽车发动机的缸套内壁，合理的表面微结构不但能产生流体动压的效果，而且可以存储润滑油，防止气缸/活塞擦伤和咬死的现象发生。
内壁微结构就是在类似轴套、活塞环、缸体及管道内壁等内曲面上加工出的肋槽、凹坑或凸台等类似的微结构，内壁微结构有利于增大流体与内表面的接触面积，并起到减磨降阻的作用。例如，内壁具有微翅结构的微热管，其每天的集热效率得到提高；内壁具有微沟槽结构的铜管，其单根管的传热功率高达80w，传热效率是光管的4倍。基于内壁微结构所具有的优点，内壁微结构的应用越来越广泛，使得内壁结构的加工成为人们研究的热点。
目前，通常采用微细电解加工技术加工内壁微结构，微细电解加工技术可以分为无掩膜微细电解加工和掩膜微细电解加工，其中，掩膜微细电解加工是借助于一定的图形化手段在工件表面形成掩蔽层，然后选择性地溶解未被掩蔽层保护的部分，最终加工出所需要的形状。
传统掩膜微细电解加工内壁微结构的加工装置中的电解液流场布局示意图如图1所示，电解液从进液口11进入夹具中，进而进入至冲液体腔体内部，经过流道12从冲液体腔体侧壁13的出液口喷射到掩模板上，利用“阳极溶解”原理，实现材料的蚀除，其中，经过加工区后的电解液再由导电模板和夹具形成的流道14内流动，即从夹具出液口冲出后绕到出液口的后方，流到夹具体的外部。
传统的掩膜微细电解加工内壁微结构的加工装置，是在冲液腔体的侧壁开一条沿轴线的竖缝作为出液口，一方面，由于出液口为冲液体腔体侧壁上的一条竖缝，而待加工曲面具有一定的弧度，使电解液由出液口冲出后到达加工区各个位置的距离不同，从而难以保证加工间隙的一致性，从而降低了内壁微结构的加工精确度；另外，由于电解液在由进液口进入后需要先到达冲液体腔体，再经过冲液体腔体侧壁的出液口和掩模板才能到达加工区，从而造成电解液达到加工区时的速度和压力不足，无法保证掩模板贴紧于待加工工件的内壁以及不能及时带走电解产物，从而降低了内壁微结构的加工质量和精确度。
鉴于此，如何提供一种解决上述技术问题的内壁微结构电解加工装置及设备成为本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现要素：
本发明实施例的目的是提供一种内壁微结构电解加工装置及设备，适用范围较大，灵活性较强，并且在使用过程中提高了内壁微结构的加工质量和精确度。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种内壁微结构电解加工装置，包括工作台、夹具、储液槽、排液管、阴极喷头及掩模板；其中：
所述阴极喷头设有进液口和出液口，所述出液口为圆弧线结构，所述出液口的曲率与待加工工件的待加工内壁的曲率一致，所述出液口所在平面与所述待加工内壁所在曲面垂直；所述工作台用于通过所述夹具固定所述待加工工件；所述掩模板贴附于所述待加工内壁上；所述储液槽用于存储电解液，所述排液管用于将所述电解液从所述储液槽输送至所述阴极喷头的进液口，所述阴极喷头的出液口用于将所述电解液喷出，使形成的弧状射流喷射至所述掩模板上，以对所述待加工内壁进行加工。
可选的，所述阴极喷头为球状结构，所述出液口位于所述阴极喷头底部的中心位置。
可选的，所述阴极喷头为圆柱状结构，所述出液口所在平面与所述阴极喷头的轴线垂直。
可选的，所述出液口的曲率不大于180°。
可选的，所述出液口的宽度范围为0.1mm～1mm。
可选的，还包括数控平台，用于控制所述阴极喷嘴进行上下扫描运动或旋转运动。
可选的，所述阴极喷头为基于金属材料制作而成的喷头，所述掩模板为绝缘掩模板。
可选的，所述绝缘掩模板为柔性绝缘掩模板。
可选的，所述阴极喷头为基于非金属材料制作而成的喷头，所述掩模板为导电掩模板。
本发明实施例还提供了一种内壁微结构电解加工设备，包括如上述所述的内壁微结构电解加工装置。
本发明实施例提供了一种内壁微结构电解加工装置及设备，包括工作台、夹具、储液槽、排液管、阴极喷头及掩模板；其中，阴极喷头设有进液口和出液口，出液口为圆弧线结构，出液口的曲率与待加工工件的待加工内壁的曲率一致，出液口所在平面与待加工内壁所在曲面垂直；工作台用于通过夹具固定待加工工件；掩模板贴附于待加工内壁上；储液槽用于存储电解液，排液管用于将电解液从储液槽输送至阴极喷头的进液口，阴极喷头的出液口用于将电解液喷出，使形成的弧状射流喷射至掩模板上，以对待加工内壁进行加工。
可以，本发明实施例通过阴极喷头上的圆弧线结构的出液口将电解液喷出形成弧状射流，并且由于出液口的曲率与待加工内壁的曲率一致，且出液口所在平面与待加工内壁所在曲面垂直，所以使弧状射流到达加工区上的各个位置的距离一致，进而可以确保加工过程中加工间隙的一致性，并且本发明实施例中的阴极喷嘴中的出液口可以将弧状射流直接喷射至贴附于待加工内壁上的掩模板上，并且在加工过程中电解液始终保持正向冲液，进而可以确保电解液达到加工区时的速度和压力，以使掩模板紧贴于待加工内壁，提高了掩模板与待加工内壁的贴合度，并且可以带走及时将电解产物，所以，本发明实施例在使用过程中提高了内壁微结构的加工质量和精确度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有的一种掩膜微细电解加工内壁微结构的加工装置中的电解液流场布局示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种内壁微结构电解加工装置的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种球状阴极喷头的剖面示意图；
图4为本发明实施例提供的一种圆柱状型阴极喷头的剖面示意图；
图5为本发明实施例提供的一种圆柱状型阴极喷头加工内壁微结构的原理示意图；
图6为本发明实施例提供的一种内壁微结构电解加工装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种内壁微结构电解加工装置及设备，适用范围较大，灵活性较强，并且在使用过程中提高了内壁微结构的加工质量和精确度。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，电射流掩膜电解加工是一种基于金属在电解液中发生“阳极溶解”原理的、用于印制表面功能微织构的新工艺，将高速带电电解液在高分辨率的掩膜约束下，形成阵列微尺度液体电极，实现了电液束的“光刻+图形转移”技术，可进行大面积、高分辨率的表面微纳结构的宏量制备。电射流掩膜加工具有无加工应力，无工具电极损耗、加工效率高、结构表面光滑、对工件表面不会产生变形及热影响区、材料以离子尺度去除，因此非常适合微细结构的加工并在航空航天、汽车、机械等领域得到越来越广泛的应用。
请参照图2，图2为本发明实施例提供的一种内壁微结构电解加工装置的结构示意图。
本发明实施例中提供的内壁微结构电解加工装置，包括工作台1、夹具2、储液槽3、排液管4、阴极喷头5及掩模板6；其中：
阴极喷头5设有进液口51和出液口52，出液口52为圆弧线结构，出液口52的曲率与待加工工件的待加工内壁的曲率一致，出液口52所在平面与待加工内壁所在曲面垂直；工作台1用于通过夹具2固定待加工工件；掩模板6贴附于待加工内壁上；储液槽3用于存储电解液，排液管4用于将电解液从储液槽3输送至阴极喷头5的进液口51，阴极喷头5的出液口52用于将电解液喷出，使形成的弧状射流喷射至掩模板6上，以对待加工内壁进行加工。
需要说明的是，本发明实施例中的电解液存储于储液槽3中，通过泵的驱动可以将储液槽3中的电解液通过排液管4输送至阴极喷头5的进液口51，阴极喷头5中设有出液口52的一端为曲面结构，并且出液口52的具体形状为圆弧形线状结构，该出液口52的曲率可以根据待加工工件的待加工内壁的曲率来确定，为了使出液口52喷出的电解液在到达加工区时，可以保持加工间隙的一致性，所以使出液口52的曲率与待加工内壁的曲率一致，从而可以保证出液口52喷射出均匀、稳定且具有与待加工内壁曲率一致的弧状射流，所形成的弧状射流即为射流电极。
具体的，在电解液由阴极喷头5的出液口52喷射出后，高速带电的电解液在高分辨的掩模板6的约束下形成微尺度阵列液体电极，通过在阴极喷头5和阳极工件之间施加一定的加工电压，并基于“阳极溶解”原理，实现内壁微结构的加工。在加工过程中电解液通过阴极喷头5的出液口52直接喷射至掩模板6上，进而到的加工区，始终保持正向冲液，本申请不仅能够保证待加工内壁中的曲面加工区域的流场及电场的均匀性，而且通过正向冲液既能保证待加工内壁曲面的加工区内电解液的流速达到加工的要求，而且有利于“压紧”掩模板6，使其紧贴于待加工内壁，使掩模板6和待加工内壁的贴合度提高，较高的贴合度可以使加工而成的内壁微结构的精度提高，还可以提高加工效率；另外，电解液具有足够大的流速可以及时将加工过程中产生的加工产物及热量带走，加工产物的残留会使加工而成的内壁微结构在使用过程中发生短路，严重影响产品的质量，同时热量的残留也会使加工区电解液的温度升高，从而对产品的质量造成一定的影响。
还需要说明的是，本发明实施例中的阴极喷头5设计简单，并且用于固定待加工工件的夹具2设计也较为简单。另外，本申请中可以适用于多种待加工工件，不会对待加工工件的长度有限定，只需要根据待加工工件的待加工内壁的曲率设计相应的阴极喷头5即可，使用范围较广，灵活性较大。
可以，本发明实施例通过阴极喷头上的圆弧线结构的出液口将电解液喷出形成弧状射流，并且由于出液口的曲率与待加工内壁的曲率一致，且出液口所在平面与待加工内壁所在曲面垂直，所以使弧状射流到达加工区上的各个位置的距离一致，进而可以确保加工过程中加工间隙的一致性，并且本发明实施例中的阴极喷嘴中的出液口可以将弧状射流直接喷射至贴附于待加工内壁上的掩模板上，并且在加工过程中电解液始终保持正向冲液，进而可以确保电解液达到加工区时的速度和压力，以使掩模板紧贴于待加工内壁，提高了掩模板与待加工内壁的贴合度，并且可以带走及时将电解产物，所以，本发明实施例在使用过程中提高了内壁微结构的加工质量和精确度。
作为一种优选的实施例，阴极喷头为球状结构，出液口位于阴极喷头底部的中心位置。
需要说明的是，本发明实施例中的阴极喷头可以为球状结构，具体请参照图3，阴极喷头的上端为进液口，下端为出液口。为了保证弧状射流具有较好的稳定性和均匀性，并且确保弧状射流的速度及压力达到加工要求，优选的将出液口设置于阴极喷头底部圆球面的中心位置，也即在圆球面的中心位置开设一条缝隙，该缝隙为圆弧线状结构，通过本发明实施例中提供的阴极喷头可以用于对轴瓦状零件的内壁微结构进行加工。
还需要说明的是，当对轴瓦状零件进行内壁微结构电解加工时，可以利用u型包边条将掩模板固定在轴瓦状零件的内壁表面上，从而使球状阴极喷嘴喷射出的弧状射流进一步压紧掩模板使其贴紧于待加工工件的内壁上。
作为一种优选的实施例，阴极喷头为圆柱状结构，出液口所在平面与阴极喷头的轴线垂直。
需要说明的是，本发明实施例中的阴极喷头可以为圆柱状结构，具体请参照图4和图5，阴极喷头的上端为进液口，圆柱状阴极喷头的侧壁上开设的圆弧形缝隙为出液口。为了保证弧状射流具有较好的稳定性和均匀性，并且确保弧状射流的速度及压力达到加工要求，并且还需要保证由出液口喷出的弧状射流喷射至掩模板后，加工间隙一致，优选的令出液口所在平面与阴极喷头的轴线垂直，通过本发明实施例中提供的阴极喷头可以用于对轴瓦状零件或圆柱状零件的内壁的内壁微结构进行加工。
还需要说明的是，利用圆柱状结构的阴极喷头对轴瓦状零件或圆柱状零件进行内壁微结构电解加工时，可以利用弹性橡胶圈将掩模板的两端压紧在圆柱状零件的内壁表面上，从而使圆柱状结构的阴极喷头喷射出的弧状射流进一步压紧掩模板使其贴紧于待加工工件的内壁上，以便将掩模板上的图案刻蚀在圆筒内壁上，或轴瓦状零件的内壁上。
作为一种优选的实施例，出液口的曲率不大于180°。
需要说明的是，为了保证阴极喷嘴喷射出的弧状射流的速度及压力达到加工要求，本发明实施例中的喷射形成的曲面射流电极的弧状出液口的弧度不超过180°，其具体数值可以根据实际情况进行确定本发明实施例对此不做特殊限定，能实现本发明实施例的目的即可。
作为一种优选的实施例，出液口的宽度范围为0.1mm～1mm。
需要说明的是，同样为了保证阴极喷嘴喷射出的弧状射流的速度及压力达到加工要求，同时避免因出液口过小而导致电解液雾化，弧状出液口的宽度可以设置在0.1mm～1mm范围内，其具体数值可以根据实际情况进行确定本发明实施例对此不做特殊限定，能实现本发明实施例的目的即可。
作为一种优选的实施例，还包括数控平台，用于控制阴极喷嘴进行上下扫描运动或旋转运动。
还需要说明的是，为了提高加工效率，可以通过数控平台对阴极喷嘴进行控制，对于球状阴极喷嘴可以来回移动形成的射流电极，通过成片扫描加工区域，提高加工效率；对于圆柱状阴极喷嘴可以使其进行旋转运行，在加工完整圆环内曲面时，通过使柱状射流电极转动一定角度实现对整个圆柱内曲面的加工，以提高加工效率，具体请参照图6。
作为一种优选的实施例，阴极喷头为基于金属材料制作而成的喷头，掩模板为绝缘掩模板。
具体的，本发明实施例阴极喷头可以为金属导电喷头，此时可以将电源的负极接在该阴极喷头上，掩模板采用绝缘掩模板，当由阴极喷头喷射出的弧状射流(带电)通过绝缘掩模板上的镂空位置与阳极工件接触后使电路导通，从而对阳极工件进行刻蚀。
当然，本发明实施例中的掩模板也为导电掩模板，并且导电掩模板与待加工内壁接触的一侧(掩模板的下表面)设有绝缘层，并且还可以将电源的负极接在导电掩模板上，从而使当由阴极喷头喷射出的弧状射流在于导电掩模板的上表面接触后带电，并通过导电掩模板上镂空位置与阳极工件接触后使电路导通，从而对阳极工件进行刻蚀。
作为一种优选的实施例，绝缘掩模板为柔性绝缘掩模板。
需要说明的是，为了提高掩模板与待加工内壁的贴合度，可以采用柔性绝缘掩模板，柔性绝缘掩模板可以将其展成平面，将图案刻划在柔性绝缘掩模板上之后再将柔性绝缘掩模板贴附于待加工内壁上，解决了导电掩模板柔性有限，难以贴紧在待加工内壁及待加工工件、导电模板和绝缘层之间难以装夹的问题。同时采用柔性绝缘掩模板还可以节省现有技术中需要通过掩膜制备的方式制备掩膜时需要经过的涂胶、前烘、曝光、后烘、显影等传统制作掩膜的工艺流程，本申请中直接采用柔性绝缘掩模板环节少，易于实施。
作为一种优选的实施例，阴极喷头为基于非金属材料制作而成的喷头，掩模板为导电掩模板。
具体的，本发明实施例阴极喷头不仅可以为金属导电喷头，还可以为非金属材料制作而成的喷头，也即本发明实施例中的阴极喷头不导电，此时，导电掩模板与待加工内壁接触的一侧(掩模板的下表面)需要设有绝缘层，并且将电源的负极接在导电掩模板上，从而使当由阴极喷头喷射出的弧状射流在于导电掩模板的上表面接触后带电，并通过导电掩模板上镂空位置与阳极工件接触后使电路导通，从而对阳极工件进行刻蚀。
需要说明的是，具体采用哪种材料制作阴极喷头本发明实施例对此不做特殊限定，能实现本发明是实施例的目的即可。
在上述实施例的基础上，本发明实施例还提供了一种内壁微结构电解加工设备，包括如上述的内壁微结构电解加工装置。
需要说明的是，本发明实施例所提供的内壁微结构电解加工设备具有与上述实施例中所提供的微结构加工装置相同的有益效果。对于本发明实施例中所涉及到的微结构加工装置的具体介绍请参照上述实施例本申请在此不再赘述。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。